Teste de cerâmicas piezoelétricas para a detecção de trincas

White paper: Technical-scientific informative ITC-01 / ATCP
Objetivo e aplicações

As cerâmicas piezoelétricas são componentes frágeis e sensíveis que podem apresentar trincas internas indetectáveis via inspeção visual. Cerâmicas com trincas, mesmo que internas e invisíveis, devem ser descartadas para evitar a falha prematura dos transdutores e conversores ultrassônicos nos quais são montadas e os consequentes prejuízos com retrabalhos e assistência técnica.

Este informativo apresenta uma metodologia prática e eficaz para a detecção de trincas em cerâmicas piezoelétricas utilizadas em transdutores e conversores ultrassônicos. Esta metodologia é uma variação da inspeção por ressonância acústica (norma ASTM-E2001) que obtém o espectro de frequências via análise da impedância, e que pode ser facilmente aplicada por fabricantes e usuários finais de cerâmicas piezoelétricas, transdutores e conversores ultrassônicos para:

  • Controle de qualidade na fabricação de cerâmicas piezoelétricas.
  • Inspeção de recebimento de cerâmicas piezoelétricas novas.
  • Verificação de cerâmicas seminovas, que foram utilizadas na fabricação de transdutores ou conversores reprovados e desmontados.
  • Teste para o reaproveitamento com segurança de cerâmica usadas, que foram recuperadas de transdutores e conversores danificados.

Introdução

A figura 1 mostra uma cerâmica piezoelétrica típica de conversores de 20 kHz para solda por ultrassom. Suas dimensões são 38,1 x 19,1 x 5,15 mm e seu material o PZT-8. Nas duas faces planas há eletrodos metálicos para a aplicação da tensão elétrica e em uma das faces há a marcação da polaridade (o positivo é indicado com o sinal “+” e/ou com um ponto “•”, que também pode estar na lateral). Estas cerâmicas são fabricadas com a prensagem e a sinterização de Titanato Zirconato de Chumbo (PTZ) em pó. O PTZ é encontrado em diversas variações e denominações, confirme a aplicação e o fabricante.

Figura 1 – Cerâmica piezoelétrica típica de conversores para solda por ultrassom.

As cerâmicas piezoelétricas constituem o principal elemento dos transdutores e conversores ultrassônicos e são responsáveis pela conversão da energia elétrica em vibração ultrassônica e vice-versa através do efeito piezoelétrico. Trincas, mesmo que internas e de dimensão reduzida, causam aquecimento, perda de rendimento e variações na frequência do transdutor ou conversor.

A presença de trinca na cerâmica piezoelétrica compromete a simetria da deformação mecânica com a vibração e ocasiona a concentração de tensões mecânicas, que por sua vez, induzem o crescimento da trinca em um ciclo vicioso que culmina na ruptura total. Na figura 2 é comparada a deformação de um anel cerâmico íntegro com a de um anel trincado, ambos vibrando no modo radial fundamental. Na figura 3 é apresentada uma sequência ilustrativa do desenvolvimento de uma trinca interna até a ruptura da peça.

a)Piezocerâmica sem defeito. b)Piezocerâmica trincada
Figura 2 – Comparação da deformação de uma cerâmica íntegra (a) no modo de vibração radial com a de uma cerâmica trincada (b).
Piezocerâmica com trinca internaPiezocerâmica com trinca visívelCerâmica piezoelétrica quebrada
Figura 3 – Sequência ilustrativa da evolução de uma trinca interna devido à concentração de tensões mecânicas: 1°) cerâmica com trinca interna, 2°) cerâmica com trinca visível e 3°) cerâmica rompida

As trincas podem ocorrer nos seguintes momentos:

  • Durante o processo de fabricação da cerâmica, devido a distribuição desigual de pó no molde de prensagem.
  • Durante a montagem do transdutor ou conversor, devido à irregularidades da superfície e ao aperto excessivo (> 50 Mpa) ou brusco (> 5 Mpa/s).
  • Durante a operação do transdutor ou conversor, devido à fadiga, sobrecarga, perda de pré-compressão, sobreaquecimento ou abertura de arco elétrico.
  • Durante o transporte e a manipulação, devido à choques mecânicos e quedas.

O índice de cerâmicas novas com trincas pode ser superior à 3%, dependendo da procedência e do rigor do controle de qualidade do fabricante. Este percentual é significativo porque basta que uma cerâmica com trinca para comprometer o transdutor ou conversor ultrassônico, e normalmente os transdutores e conversores são montados com mais de uma cerâmica o que multiplica a probabilidade de problemas.

Fundamentos

Todo corpo rígido apresenta frequências de ressonância associadas a modos de vibração. No caso das cerâmicas piezoelétricas no formato de anéis e discos, as principais frequências de ressonância são aquelas associadas aos modos de vibração radial e espessura.

A figura 4 mostra a curva de impedância típica de três cerâmicas piezoelétricas comerciais comuns íntegras; note que quanto maior a cerâmica, mais baixas são as suas frequências. No caso do anel maior, de 50,8 x 19,1 x 5 mm, há uma segunda ressonância que corresponde a um harmônico do modo radial fundamental. Outras cerâmicas comerciais com dimensões aproximadas e no formato de discos apresentam o mesmo padrão.

Módulo da impedância vs frequência
Figura 4 – Curvas características do módulo da impedância em função da frequência de três cerâmicas íntegras típicas de conversores de solda e de limpeza por ultrassom.

A presença de trincas permite a ocorrência de modos de vibração e de ressonâncias adicionais, que são detectáveis empregando o Analisador TRZ e o Software TRZ. Nas figuras 5 e 6 são apresentadas as espectroscopias de impedância (módulo da impedância em função da frequência / curva |Z(f)|) de duas cerâmicas piezoelétricas similares, estando uma delas íntegra (figura 5) e a outra trincada (figura 6).

O julgamento do resultado é simples e imediato: não deve haver múltiplas ressonâncias (que decorrem dos modos de vibração adicionais permitidos pela trinca) e deve haver no máximo dois modos de vibração na faixa de frequência de 10 a 180 kHz para cerâmicas com diâmetro externo entre 20 e 60 mm. A cerâmica íntegra (figura 5) apresenta apenas um modo de vibração (destacado em azul) enquanto a cerâmica trincada (figura 6) apresenta vários modos de vibração adicionas, além do modo de vibração principal.

Curva de cerâmica piezoelétrica íntegra
Figura 5 – Exemplo de curva de impedância de uma cerâmica piezoelétrica anelar íntegra (no caso, de uma cerâmica em PZT-8 com as dimensões de 38,1 x 19,1 x 5,15 mm).
Curva de cerâmica piezoelétrica trincada
Figura 6 – Exemplo de curva de impedância de uma cerâmica piezoelétrica anelar trincada (no caso, de uma cerâmica em PZT-8 com as dimensões de 38,1 x 19,1 x 5,15 mm).
Metodologia

A metodologia para o teste de cerâmicas piezoelétricas para a detecção de trincas é muito simples, basta seguir o passo-a-passo a seguir:

Passo 1 - Utilize o Analisador TRZ e o suporte de cerâmicas PiezoHolder

Utilize o Analisador TRZ em conjunto o Software TRZ (versão 5.0 ou superior) e o suporte de cerâmicas PiezoHolder (figura 7). Selecione a opção “Piezos” no Software (figura 8), nesta pré-configuração o conjunto Analisador e Software TRZ irá realizar uma varredura de 10 a 180 kHz.

Acessório PiezoHolder para teste de cerâmicasCurvas desenhadas pelo Software TRZ
Figura 7 – Analisador TRZ conectado ao PiezoHolder e o Software TRZ.
Figura 8 – Seleção para o teste de cerâmicas (Software TRZ versão 5.0).

Passo 2 – Insira a cerâmica no PiezoHolder

Insert the piezoelectric ceramic piece into the PiezoHolder (Figure 9). This accessory is capable of supporting ceramics shaped like disks and rings with thickness between 2 and 8 mm, and diameter between 20 and 60 mm. The polarity is not relevant.

Figura 9 – Suporte PiezoHolder para a conexão das cerâmicas ao Analisador TRZ.

Passo 3 - Realize a medição e a análise

Realize a medição clicando no botão “Play” (figura 10) ou com o comando Crtl-N e, na sequência, verifique se a curva obtida é suave ou possui perturbações de baixa amplitude (veja figuras 5 e 6). Se forem detectados modos espúrios, a cerâmica piezoelétrica está trincada e deve ser descartada. A presença da trinca pode ser confirmada com ensaios não-destrutivos via ultrassom (pulso-eco).

Figura 10 – Realização da medição.

Observação importante: Esta metodologia não é sensível à lascados nos cantos das cerâmicas. Cerâmicas com este tipo de defeito devem ser descartadas mesmo que não estejam trincadas.

Exemplos

A tabela 1 mostra o resultado detalhado da caracterização de uma cerâmica nova e íntegra, de uma cerâmica nova com trinca interna, de uma cerâmica usada com trinca interna e de uma cerâmica nova com defeito indeterminado. Note que o padrão das ressonâncias adicionais, que indicam a presença da trinca, varia caso a caso.

A inspeção visual das cerâmicas foi realizada com um lupa com amplificação de 8x. As superfícies da cerâmica usada foram lixadas com bucha abrasiva de grana 1500 e limpas com solvente para a remoção de sujidades que poderiam eventualmente impedir a visualização da trinca.

Tabela 1 – Exemplo de testes de cerâmica íntegra, com trinca interna e outros defeitos.
DescriçãoCurva obtida c/o Analisador TRZObservações
Cerâmica nova e íntegra Esta cerâmica nova foi aprovada porque não há ressonâncias adicionais e porque ocorreu uma ressonância principal bem definida. Curiosidade: o logo da ATCP Engenharia Física foi inspirado por este padrão de curva
Cerâmica nova com trinca interna Esta cerâmica nova foi reprovada porque foram detectadas múltiplas ressonâncias adicionais. A presença de trinca foi confirmada com o método de ensaio não destrutivo por ultrassom para detecção de descontinuidades.
Cerâmica usada com trinca internaEsta cerâmica usada foi reprovada porque há múltiplas ressonâncias adicionais além de perturbações na ressonância principal. A presença de trinca foi confirmada com o método de ensaio não destrutivo por ultrassom para detecção de descontinuidades.
Cerâmica nova com defeito indeterminadoEsta cerâmica nova foi reprovada porque há uma perturbação na ressonância principal, entretanto não foi possível detectar a presença de trinca com o método de ensaio não destrutivo por ultrassom. O defeito que gerou esta perturbação pode ser uma inomogeneidade na densidade o material.
A tabela 2 mostra o resultado detalhado da caracterização de uma cerâmica usada com trinca visível e de uma cerâmica usada quebrada. Estas são situações extremas nas quais a inspeção visual seria suficiente para a reprovação e descarte das peças, o objetivo de apresenta-las aqui é enriquecer os exemplos.

Nestes casos as ressonâncias adicionais são mais acentuadas, mas não muito diferentes das ressonâncias adicionais observadas nas cerâmicas com trinca interna (vide curvas da tabela 1).

Tabela 2 – Exemplo de teste de cerâmica usada com trinca visível e de cerâmica quebrada (situações extremas nas quais a inspeção visual é suficiente).
DescriçãoCurva obtida c/o Analisador TRZObservações
Cerâmica usada com trinca externa/visívelEsta cerâmica usada foi reprovada porque apresenta trinca visível, além de múltiplas ressonâncias adicionais.
Cerâmica usada quebrada e com segmento faltando.A apresentação do teste desta cerâmica quebrada e faltando um pedaço visa apenas ilustrar a aplicação da metodologia em uma situação extrema.
As cerâmicas da tabela 1 e da tabela 2 estão disponíveis na ATCP para a realização de treinamentos para a utilização avançada do Analisador TRZ.
Recuperação e reutilização de cerâmicas piezoelétricas

A ruptura das cerâmicas é a principal causa de falha dos transdutores e conversores. A figura 4 mostra o exemplo um conversor de 35 kHz danificado com destaque para a cerâmica piezoelétrica rompida. Entretanto, nem todas as cerâmicas de um transdutor danificado estão necessariamente comprometidas e podem ser reaproveitadas visando a redução de custos de manutenção, principalmente quando se trata de falhas prematuras durante testes de fabricação. Para isso, é necessária uma metodologia que garanta a ausência de trincas nas cerâmicas que serão reutilizadas.

Figura 4 – Conversor ultrassônico com 01 cerâmica piezoelétrica rompida. As demais foram reaproveitadas com segurança após o teste para a detecção de trincas internas.

No caso de transdutores e conversores que falharam após um longo período de uso, é muito provável as cerâmicas intactas apresentem uma vida útil reduzida e eventuais alterações nas constantes piezoelétricas, entretanto isso não impede que estas cerâmicas também sejam reutilizadas com sucesso.

Para recuperar cerâmicas usadas, além do teste para a detecção de trincas, é necessário remover o verniz isolante ou resina epóxi que possa estar eventualmente presente nas laterais da cerâmica. Também é recomendável lixar levemente os eletrodos da cerâmicas com uma bucha abrasiva de grana 1500 ou superior para eliminar marcas e sujidades. É importante cuidar para que o lixamento não seja excessivo e remova o eletrodo

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Teste de piezocerâmicas para detecção de trincas.

TRZ Manual
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